Date of Award

6-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Chemistry

Department

Chemistry

First Advisor

Yaser Greish

Second Advisor

Sherif Karam

Abstract

A wide range of nanomaterials have been developed for biomedical applications, such as drug delivery, biomedical imaging, and sensors. Nanomaterials can include nanoparticles (NPs) and nanofibers with various dimensions that are both natural and synthetic. A successful nanomaterial, for use in biological applications, is characterized by its biocompatibility, biodegradability, intrinsic high surfaces area, high interconnected porosity, and functionality. These features were achieved with the development of metal-organic framework (MOF) nanostructures. MOFs are assemblies of metal ions and organic linkers that are built into different geometries and can exist in all dimensions (up to 3-D). The choice of linkers with well-defined shapes and connectivity to secondary building units (SBUs) allows for the desired design of MOF structures. Furthermore, these reticular materials can be post-synthetically modified and fine-tuned for specific biological properties. BioMOFs have proven their effective delivery of various molecular drug entities, however, a focus on these materials as a stand-alone treatment is needed. The intrinsic peroxidase activity of Cu2+ and its ability to cause oxidative stress in cancer and bacterial cells sparked our interest in studying and further evaluating the efficacy of copper-based MOFs as anti-cancer and anti-bacterial stand-alone treatments. Gallic Acid (GA), an edible phytochemical found in nature, can exhibit pro-oxidant and antioxidant properties by causing reactive oxidative species (ROS) accumulation while decreasing glutathione (GSH) levels in tumor cells. In this work, the effectiveness of Cu-BTC and Cu-GA MOFs were evaluated in gastric and colon cancer cell lines. The bacterial inhibition of gram-negative and gram-positive bacteria was also examined with both pristine MOFs. In addition, Cu-BTC, a microporous MOF, was chosen for the development of a hierarchical structure containing both micro-and mesopores for the intended encapsulation and loading of larger drug molecular compounds. Lastly, a MOF core-shell nanoflower was formed for the enhanced stability and release of Cu2+ from the Cu-BTC MOF structure.

Arabic Abstract


تصميم وتوليف وتوصيف الأطر المعدنية القائمة على النحاس من أجل إستخداماتها ضد السرطان وكعوامل مضادة للميكروبات

تم تطوير مجموعة واسعة من المواد الثانوية للتطبيقات الطبية الحيوية، مثل توصيل الأدوية، والتصوير الطبي الحيوي، وأجهزة الاستشعار. يمكن أن تشتمل المواد النانوية على الجسيمات النانوية (NPs) والألياف النانوية بأبعاد مختلفة طبيعية وصناعية. تتميز المادة النانوية الناجحة، لاستخدامها في التطبيقات البيولوجية، بتوافقها الحيوي، وقابليتها للتحلل البيولوجي، ومساحة الأسطح العالية الجوهرية، والمسامية والوظائف العالية المترابطة. تم تحقيق هذه الميزات من خلال تطوير الهياكل النانوية للإطار المعدني العضوي (MOF). الأطر العضوية المعدنية هي تجمعات من الأيونات المعدنية والروابط العضوية المبنية في أشكال هندسية مختلفة ويمكن أن توجد في جميع الأبعاد (حتى D-3). يسمح اختيار الروابط ذات الأشكال المحددة جيداً والاتصال بوحدات البناء الثانوية (SBUs) بالتصميم المطلوب لهياكل الأطر المعدنية. علاوة على ذلك، يمكن تعديل هذه المواد الشبكية بعد التصنيع وضبطها لخصائص بيولوجية محددة. أثبتت BioMOFs تقديمها الفعال للعديد من كيانات الأدوية الجزيئية، ومع ذلك، هناك حاجة إلى التركيز على هذه المواد كعلاج مستقل. أثار نشاط البيروكسيديز الجوهري لـCu+2 وقدرته على التسبب في الإجهاد التأكسدي في السرطان والخلايا البكتيرية اهتمامنا بدراسة وتقييم فعالية الأطر العضوية المعدنية القائمة على النحاس باعتبارها علاجات قائمة بذاتها مضادة للسرطان والبكتيريا. حمض الغال (GA)، وهو مادة كيميائية نباتية صالحة للأكل توجد في الطبيعة، يمكن أن تظهر خصائص مؤيدة للأكسدة ومضادة للأكسدة عن طريق التسبب في تراكم الأنواع المؤكسدة التفاعلية (ROS) مع تقليل مستويات الجلوتاثيون (GSH) في الخلايا السرطانية. في هذا العمل، تم تقييم فعالية Cu-BTC و Cu-GA MOFs في خطوط خلايا سرطان المعدة والقولون. تم فحص التثبيط البكتيري للبكتيريا سالبة الجرام والبكتيريا موجبة الجرام أيضًا مع كل من الأطر العضوية البكر. بالإضافة إلى ذلك، تم اختيار Cu-BTC، وهو إطار عضوي صغير يسهل اختراقه، لتطوير هيكل هرمي يحتوي على كل من الثقوب الصغيرة والمتوسطة الحجم للتغليف المقصود وتحميل المركبات الجزيئية للدواء الأكبر. أخيرًا، تم تشكيل زهرة نانوية منMOF لتحسين الاستقرار وإطلاق Cu+2من هيكل Cu-BTC MOF.

Download

Included in

Chemistry Commons

Share

COinS